Mô hình hóa và thiết kế điều khiển bộ biến đổi buck converter

01 Cơ sở lý thuyếtNội dung Mô hình hóa 02 Thiết kế điều khiển trực tiếp 03 Thiết kế điều khiển gián tiếp 04... 01 Cơ sở lý thuyếtNội dung Mô hình hóa 02 Thiết kế điều khiển trực tiếp 03

Trang 1

Mô hình hóa và thiết kế điều

khiển bộ biến đổi Buck

Converter

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Trọng Minh Sinh viên thực hiện :

Vũ Mạnh Hùng - 20181513

Trang 2

01 Cơ sở lý thuyết

Nội dung

Mô hình hóa 02

Thiết kế điều khiển trực tiếp 03

Thiết kế điều khiển gián tiếp 04

Trang 3

1 Cơ sở lý thuyết

a Sơ đồ Buck Converter

C

iL iC

Thông số yêu cầu

Dòng điện đầu ra ( 0) 𝐼 5 (A)

Tần số đóng cắt ( ) 𝑓𝑠 30(kHz)

Độ đập mạch dòng điện (∆ ) 𝑖𝐿 24% 𝐼𝐿

Trang 5

1 Cơ sở lý thuyết

c Dạng dòng và áp qua các phần tử mạch

Trang 6

Nội dung

Trang 8

2 Mô hình hóa

a Mô hình trạng thái đóng cắt (Mô hình chính xác – Exact model)

• Đưa vào hai hàm chứng nhận h1, h2 :

C C

i

E u L

v v

Trang 9

2 Mô hình hóa

b.1 Mô hình trung bình tín hiệu lớn (DC)

• Từ mô hình đóng cắt của Buck Converter :

Trang 10

2 Mô hình hóa

b.2 Mô hình trung bình tín hiệu nhỏ (AC)

• Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng với các biến động nhỏ :

• Thay các biến động vào phương trình trạng thái :

• Bỏ qua tích của hai biến động nhỏ :

• Viết lại dưới dạng ma trận hệ phương trình trạng thái :

(10)

(11)

(12)

(13)

Trang 12

2 Mô hình hóa

Trang 13

2 Mô hình hóa

Trang 14

2 Mô hình hóa

Nhận xét, so sánh hai mô hình :

• Điện áp đầu ra của hai mô hình đều ra kết quả đúng là 5V.

• Từ mô phỏng ta thấy điện áp và dòng điện đầu ra của 2 mô hình đóng cắt và trung bình bám

sát nhau.

• Dòng điện đóng cắt đạp mạch xung quanh đáp ứng của dòng điện trung bình

• Mô hình đóng cắt gần với trạng thái làm việc thật của bộ biến đổi

• Mô hình trung bình thể hiện đặc tính của quá trình ở mức độ chính xác nào đó, phù hợp với

yêu cầu xem xét trong một khoảng thời gian nhất định.

Trang 15

Nội dung

Trang 16

3 Thiết kế điều khiển trực tiếp

a Mô hình cấu trúc điều khiển:

Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp

Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp dựa trên

mô hình tín hiệu nhỏ

Trang 17

b Tính toán các thông số :

• Từ mô hình trung bình tín hiệu nhỏ AC, ma trận hệ phương trình trạng thái :

• Chuyển sang dạng hàm truyền :

Trang 18

Sử dụng Matlab để tính hàm truyền :

Hàm truyền điện áp đầu ra:

b Tính toán bộ điều khiển :

Trang 19

Điện áp đầu vào ( ) 𝑈𝑔 24 (VDC)

Điện áp đầu ra ( 0) 𝑈 5 (VDC)

Sử dụng công cụ matlab để tính hàm truyền :

Trang 20

• Đồ thị bode của hàm truyền Gvd

Khi không có bộ bù, hàm truyền có độ dự trữ pha

Trang 21

Cấu trúc bộ bù PID:

- Pha của bộ điều khiển:

- Tần số điểm cực và điểm không:

(14)

(15)

Trang 22

Hàm truyền bộ bù của điện áp :

• Đồ thị bode của hàm truyền Gcv

Trang 23

3 Mô phỏng điều khiển trực tiếp

c Sơ đồ mô phỏng

3V (0-0.05s)

5V (0.05-0.1s)

Trang 24

3 Mô phỏng điều khiển trực tiếp

c Đồ thị mô phỏng

Trang 25

3 Mô phỏng trên Matlab

Trang 26

3 Mô phỏng trên Matlab

Trang 27

Nội dung

Trang 28

4 Thiết kế điều khiển gián tiếp

a Tính toán các thông số :

• Từ mô hình trung bình tín hiệu nhỏ AC, ma trận hệ phương trình trạng thái :

• Chuyển sang dạng hàm truyền :

(17)(18)

Trang 29

Sử dụng Matlab để tính hàm truyền :

Trang 30

Nhận xét :

• Cả hai hàm truyền có mẫu số là khâu dao động bậc hai

• Với hàm truyền điện áp : hàm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế không có điểm zero

• Với hàm truyền dòng điện : điểm zero bên trái trục ảo, nên điều khiển đơn giản hơn

 Phương pháp thiết kế điều khiển gián tiếp, gồm hai mạch vòng, mạch vòng dòng điện ở trong và mạch vòng điện áp ở ngoài

Hàm truyền điện áp đầu ra:

Hàm truyền dòng điện qua cuộn cảm:

(19)(20)

Trang 31

Điện áp đầu vào ( ) 𝑈𝑔 24 (VDC)

Trang 32

b Bộ điều khiển dòng điện

• Đồ thị bode của hàm truyền Gid

Hàm truyền có độ dự trữ pha PM=o tại tần số cắt 34.8kHz Hàm truyền có hai điểm cực và một điểm zero

• Điểm cực của hàm truyền Gid

Trang 33

• Hàm truyền có hai điểm cực và một điểm zero nên ta sử dụng bộ bù loại 2,ta sẽ thiết kế bộ bù để có tần số cắt đạt được fc = 3kHz (bằng 1/10 tần số phát xung) và có độ dự trữ pha mong muốn là 60o

• Cấu trúc bộ bù :

• Tần số điểm không và điểm cực của bộ bù :

(21)

(22)

Trang 34

Ta tìm được các đại lượng của bộ bù :

Hàm truyền bộ bù của dòng điện :

(23)

Trang 35

c Bộ điều khiển điện áp

Hàm truyền giữa điện áp đầu ra và dòng điện trên cuộn cảm:

Þ Hàm truyền Gvi là khâu dao động bậc nhất

Þ Sử dụng bộ điều khiển PI có cấu trúc :

Trang 36

4 Mô phỏng điều khiển gián tiếp

d Sơ đồ mô phỏng

Trang 37

b Đồ thị

Trang 38

Trang 40

Kết luận

• Bài trình bày đã đưa ra cách mô hình hóa theo : mô hình đóng cắt, mô hình

trung bình.

• Từ đó, thiết kế bộ điều khiển theo 2 phương pháp:

+ Điều khiển trực tiếp: thiết kế bộ điều khiển điện áp theo cấu trúc bộ điều

khiển PID.

+ Điều khiển gián tiếp: thiết kế bộ điều khiển mạch vòng dòng điện theo bộ bù loại II và bộ điều khiển điện áp theo bộ điều khiển PI.

• Kết quả tính toán và mô phỏng của cả 2 phương pháp khá sát với lý thuyết, sai

số nhỏ có thể chấp nhận Tuy nhiên, phương pháp điều khiển trực tiếp cho kết

quả có độ chính chính xác cao hơn.

Trang 41

Cảm ơn thầy và các bạn đã theo dõi

Tiêu đề	Mô Hình Hóa Và Thiết Kế Điều Khiển Bộ Biến Đổi Buck Converter
Tác giả	Vũ Mạnh Hùng, Đỗ Tuấn Quang
Người hướng dẫn	PGS.TS Trần Trọng Minh
Trường học	Trường Đại Học
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	1,58 MB